激光表面熔凝Al_2O_3–ZrO_2（Y_2O_3）陶瓷共晶层组织结构与形成机制

【摘要】：Al_2O_3-ZrO_2共晶陶瓷在接近熔点的超高温环境中仍能保持优异的力学性能和和化学稳定性,在航空航天等超高温强氧化环境下具有极高的潜在应用价值。长期以来,科研工作者的研究主要偏重于工艺参数对组织性能的影响,而对其凝固机理研究得相对较少。本文针对快速凝固条件下Al_2O_3-ZrO_2(Y_2O_3)伪二元共晶陶瓷层的形成机制进行研究,利用激光在高致密复相陶瓷块体表面进行快速重熔,通过对其微观形貌及力学性能的分析表征,研究凝固生长条件及第三组元含量对凝固组织演化的影响,并分析共晶微观组织与力学性能的相关性。利用热压烧结法成功制备致密度98%以上的Al_2O_3-ZrO_2(Y_2O_3)复相陶瓷基体,利用激光在复相陶瓷基体表面成功获得快速熔凝Al_2O_3-ZrO_2(Y_2O_3)共晶陶瓷层。固液界面处Al_2O_3以小平面方式率先形核,凝固组织生长方向在温度梯度与生长速度的共同作用下从共晶层底部至表面会逐渐发生偏转,同时微观组织逐渐细化。共晶层表面为定向排列的柱状晶。共晶层的显微硬度从共晶层底部至表面呈逐渐上升的趋势。温度梯度是控制熔池底部共晶生长的主要因素,而共晶层表面共晶生长主要受生长速度控制,表面柱状晶特征尺寸随扫描速率的增大呈明显下降趋势,不同生长速度下柱状晶内规则共晶间距λ_(re)=115～150nm,非规则共晶间距λir=143～239nm。根据JH模型得到不同激光工艺参数下的共晶生长速度为290.6～835.2μm/s,过冷度为2.73～4.62K。快速凝固条件下规则共晶组织与非规则共晶组织的转变是动力学过冷度作用的结果。在不同凝固工艺下,随着生长速度和过冷度的升高固液界面的生长方式由平面生长向胞状生长转变。溶质扩散在快速生长过程中起主要作用。随着Y_2O_3含量的增加,共晶层中ZrO_2逐渐由四方相向立方相过渡。同时Y_2O_3含量的升高改变了固液界面溶质分布及实际过冷度,共晶层表面柱状晶宽度呈先减小后增大的非单调性变化,随着动力学过冷度的减小柱状晶内共晶组织逐渐转变为规则共晶组织。不同Y_2O_3含量的Al_2O_3-ZrO_2(Y_2O_3)共晶层的显微硬度均明显高于同成分复相陶瓷基体。随着Y_2O_3含量的升高,共晶陶瓷的物相结构和微观组织发生变化,显微硬度呈先增大后减小的非单调性变化。